Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса

Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов Cψβ∞ и Lψβ1 интегралами Вейєрштрасса.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автори: Харкевич, Ю.I., Кальчук, I.В.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2007
Назва видання:Український математичний журнал
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164201
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса / Ю.I. Харкевич, I.В. Кальчук // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 7. — С. 953–978. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-164201
record_format dspace
spelling irk-123456789-1642012020-02-09T01:27:27Z Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса Харкевич, Ю.I. Кальчук, I.В. Статті Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов Cψβ∞ и Lψβ1 интегралами Вейєрштрасса. Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes C ψ β,∞ and L ψ β,1 by the Weierstrass integrals. 2007 Article Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса / Ю.I. Харкевич, I.В. Кальчук // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 7. — С. 953–978. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1027-3190 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164201 517.5 uk Український математичний журнал Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Статті
Статті
spellingShingle Статті
Статті
Харкевич, Ю.I.
Кальчук, I.В.
Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
Український математичний журнал
description Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов Cψβ∞ и Lψβ1 интегралами Вейєрштрасса.
format Article
author Харкевич, Ю.I.
Кальчук, I.В.
author_facet Харкевич, Ю.I.
Кальчук, I.В.
author_sort Харкевич, Ю.I.
title Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_short Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_full Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_fullStr Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_full_unstemmed Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_sort наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами вейєрштрасса
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2007
topic_facet Статті
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164201
citation_txt Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса / Ю.I. Харкевич, I.В. Кальчук // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 7. — С. 953–978. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series Український математичний журнал
work_keys_str_mv AT harkevičûi nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa
AT kalʹčukiv nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa
first_indexed 2025-07-14T16:43:11Z
last_indexed 2025-07-14T16:43:11Z
_version_ 1837641385537175552
fulltext УДК 517.5 Ю. I. Харкевич, I. В. Кальчук (Волин. ун-т, Луцьк) НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes Cψβ,∞ and Lψβ,1 by the Weierstrass integrals. Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов Cψβ,∞ и Lψβ,1 интегралами Вейєрштрасса. 1. Основнi означення та допомiжнi твердження. Нехай C — простiр 2π- перiодичних неперервних функцiй, у якому норма задається за допомогою рiвностi ‖f‖C = max t ∣∣f(t) ∣∣; L∞ — простiр 2π-перiодичних вимiрних суттєво обмежених функцiй iз нормою ‖f‖∞ = ess sup t ∣∣f(t) ∣∣; L — простiр 2π-перiодичних сумовних на перiодi функцiй, в якому норма задається рiвнiстю ‖f‖L = ‖f‖1 = ∫ π −π ∣∣f(t) ∣∣dt. У роботi О. I. Степанця [1] введено класи перiодичних функцiй таким чином. Нехай f(x) ∈ L i S[f ] = a0 2 + ∞∑ k=1 (ak cos kx+ bk sin kx) (1) — ряд Фур’є функцiї f . Нехай, далi, ψ(k) — довiльна фiксована функцiя натурального аргументу i β — фiксоване дiйсне число. Якщо ряд ∞∑ k=1 1 ψ (k) ( ak cos ( kx+ πβ 2 ) + bk sin ( kx+ πβ 2 )) є рядом Фур’є деякої сумовної функцiї ϕ, то цю функцiю називають (ψ, β)-похiдною функцiї f(x) i позначають через fψβ (x). Множину усiх функцiй f(x), котрi задо- вольняють таку умову, позначають через Lψβ . Пiдмножину неперервних функцiй iз Lψβ позначають Cψβ . Якщо f(x) ∈ Lψβ i ∥∥∥fψβ (x) ∥∥∥ 1 ≤ 1, то кажуть, що f(x) належить класу Lψβ,1; якщо ж f(x) ∈ Cψβ i ∥∥∥fψβ (x) ∥∥∥ ∞ ≤ 1, то f(x) належить класу Cψβ,∞. При ψ(k) = k−r, r > 0, класи Cψβ,∞ збiгаються з класами W r β , якi були введенi Б. Надем [2], i fψβ (x) = f (r) β (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя. Якщо, крiм цього, β = r, r ∈ N, то fψβ є похiдною порядку r функцiї f, i при цьому класи Cψβ,∞ є вiдомими класами Соболєва W r. Наслiдуючи О. I. Степанця [1], множину всiх опуклих донизу послiдовностей ψ(k), для яких lim k→∞ ψ(k) = 0, позначатимемо через M. Не зменшуючи загальностi, будемо вважати, що послiдовностi ψ(k) iз множини M є звуженнями на множинi натуральних чисел деяких додатних неперервних опуклих донизу функцiй ψ(t) c©Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК, 2007 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 953 954 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК неперервного аргументу t ≥ 1, що прямують до нуля на нескiнченностi. Множину таких функцiй також будемо позначати через M. Отже, надалi M = { ψ(t) : ψ(t) > 0, ψ(t1)− 2ψ ( t1 + t2 2 ) + ψ(t2) ≥ 0 ∀t1, t2 ∈ [1,∞), lim t→∞ ψ(t) = 0 } , а через M′ позначимо пiдмножину функцiй ψ(·) з M, що задовольняють умову ∞∫ 1 ψ(t) t dt <∞. (2) Далi, iз множини M видiлимо пiдмножину M0 за допомогою наступної харак- теристики. Нехай ψ ∈ M i η(t) = η(ψ; t) — функцiя, пов’язана з ψ рiвнiстю η(t) = = η (ψ; t) = ψ−1 ( 1 2 ψ(t) ) , де ψ−1 — функцiя, обернена до функцiї ψ. Покладемо µ(t) = µ(ψ; t) = t η(t)− t . Тодi M0 = {ψ ∈ M : 0 < µ (ψ; t) ≤ K ∀t ≥ 1} , де K — константа, яка може залежати вiд ψ. Нехай f (x) ∈ L. Величину Wδ(f, x) = a0 2 + ∞∑ k=1 e− k2 δ (ak cos kx+ bk sin kx) , δ > 0, (3) де ak, bk — коефiцiєнти Фур’є функцiї f, називають iнтегралом Вейєрштрасса (див., наприклад, [3, c. 150]). Дану роботу присвячено вивченню асимптотичної поведiнки при δ →∞ вели- чин E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥f(x)−Wδ(f, x) ∥∥ C , (4) E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = sup f∈Lψβ,1 ∥∥f(x)−Wδ(f, x) ∥∥ 1 . (5) Якщо в явному виглядi знайдено функцiю ϕ(δ) = ϕ(N; δ) таку, що при δ → → ∞ E (N;Wδ)X = ϕ (δ) + o (ϕ (δ)) , то, наслiдуючи О. I. Степанця [1, c. 198], будемо говорити, що розв’язано задачу Колмогорова – Нiкольського для класу N та iнтеграла Вейєрштрасса в метрицi простору X . Вiдмiтимо, що задача Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса на класах W r β , W r та iнших розглядалась в роботах Л. I. Баусова [4, 5], Я. С. Буг- рова [6], В. А. Баскакова [7], Л. П. Фалалєєва [8]. Покладемо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 955 τ(u) = τδ(u, ψ) =  ( 1− e−u 2 ) ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , ( 1− e−u 2 ) ψ (√δu) ψ (√ δ ) , u ≥ 1√ δ , (6) де ψ(u) — функцiя, визначена i неперервна при всiх u ≥ 1. Не зменшуючи загаль- ностi, будемо вважати, що функцiя ψ(u) має неперервну другу похiдну на [1;∞). Домовимось у цiй роботi через K, Ki позначати сталi, взагалi кажучи, рiзнi. Наведемо означення та допомiжнi твердження, що належать Л. I. Баусову [5] та О. I. Степанцю [1], якi ми будемо використовувати в подальшому. Означення [5]. Нехай функцiя τ(u) є заданою на [0,∞), абсолютно неперерв- ною i τ(∞) = 0. Кажуть, що функцiя τ(u) належить Ea, якщо похiдну τ ′(u) в тих точках, де вона не iснує, можна доозначити так, щоб для деякого a ≥ 0 iснували iнтеграли ∫ a 2 0 u|dτ ′(u)|, ∫ ∞ a 2 |u− a||dτ ′(u)|. Теорема 1′ [5, с. 24]. Нехай τ(u) ∈ Ea i sin βπ 2 τ(0) = 0. Тодi для збiжностi iнтеграла A(τ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt (7) необхiдно i достатньо, щоб збiгались iнтеграли ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du, a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du. При цьому справедливою є оцiнка∣∣∣∣∣∣A(τ)− 4 π2 ∞∫ 0 ξ ( sin βπ 2 τ(u), ju [τ(a− u)− τ(a+ u)] ) du u ∣∣∣∣∣∣ ≤ KH(τ), де ξ(A,B) — функцiя, введена в роботi [9] таким чином: ξ(A,B) =  π 2 |A|, |B| ≤ |A|, |A| arcsin ∣∣∣∣AB ∣∣∣∣+√B2 −A2, |B| > |A|, ju = { 1, 0 < u < a, 0, u ≥ a, H(τ) = |τ(0)|+ |τ(a)|+ a 2∫ 0 u |dτ ′(u)|+ ∞∫ a 2 |u− a| |dτ ′(u)| . (8) Якщо 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∫ ∞ 0 |τ(u)| u du ≥ 4 π2 ∫ a 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 956 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК∣∣∣∣∣∣A(τ)− 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du ∣∣∣∣∣∣ ≤ K  a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du+H(τ) ; (9) якщо ж 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∫ ∞ 0 |τ(u)| u du ≤ 4 π2 ∫ a 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du, то ∣∣∣∣∣∣A(τ)− 4 π2 a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du ∣∣∣∣∣∣ ≤ K ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du+H(τ) . (10) Теорема 2′ [1, с. 161]. Функцiя ψ ∈ M належить до M0 тодi i лише тодi, коли величина α(t) = ψ(t) t |ψ′(t)| , ψ′(t) := ψ′(t+ 0) (11) задовольняє умову α(t) ≥ K > 0 ∀t ≥ 1. Теорема 3′ [1, с. 175]. Для того щоб функцiя ψ ∈ M належала до M0, необ- хiдно i достатньо, щоб iснувала стала K така, щоб при всiх t ≥ 1 виконувалась нерiвнiсть ψ(t) ψ(ct) ≤ K, де c — довiльна стала, що задовольняє умову c > 1. 2. Асимптотичнi оцiнки для верхнiх меж вiдхилень iнтегралiв Вейєрштрас- са вiд функцiй iз класiв Cψβ,∞. Нам буде потрiбне наступне твердження, що є аналогом леми 1 роботи [10]. Лема 1. Якщо для функцiї τ(u), що задана за допомогою спiввiдношення (6), її перетворення τ̂β(t) вигляду τ̂β(t) = τ̂(t, β) = 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du (12) є сумовним на всiй числовiй осi, то справджується рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = ψ( √ δ)A(τ) +O ψ (√δ) ∫ |t|≥ √ δ π 2 |τ̂β(t)| dt , (13) де величина A(τ) визначена рiвнiстю (7). Теорема 1. Нехай ψ ∈ M ′ 0 = M0 ∩ M′, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою догори або донизу на [b;∞), b ≥ 1. Тодi при δ →∞ має мiсце рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = ψ( √ δ)A(τ) +O ( 1 δ + ψ( √ δ)√ δ ) , (14) де величина A(τ) означається за допомогою рiвностi (7) i для неї справедливою є оцiнка ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 957 A(τ) = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣  1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+ 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du + + O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (15) Доведення. Перевiримо виконання умови леми 1. Для цього покажемо сумов- нiсть перетворення функцiї τ(u) вигляду (12), тобто збiжнiсть iнтеграла (7). Згiдно з теоремою 1′, знайдемо оцiнки наступних iнтегралiв: 1 2∫ 0 u |dτ ′(u)| , ∞∫ 1 2 |u− 1| |dτ ′(u)| , (16) ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du, 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du. (17) Для оцiнки першого iнтеграла з (16) розiб’ємо промiжок [ 0; 1 2 ] на двi частини:[ 0; 1√ δ ] i [ 1√ δ ; 1 2 ] (при δ > 4b2). Враховуючи, що τ ′′(u) ≥ 0 на [ 0; 1√ δ ] , а також нерiвнiсть e−u 2 ≤ 1, u ∈ R, (18) одержуємо 1√ δ∫ 0 u |dτ ′(u)| = ψ(1) ψ( √ δ) ( 2 δ e− 1 δ − 1 + e− 1 δ ) = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (19) Нехай тепер u ∈ [ 1√ δ ; 1 2 ] . Покладемо τ1(u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , τ2(u) = u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (20) тодi 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′(u)| ≤ 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′1(u)|+ 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)|. (21) Знайдемо оцiнку першого iнтеграла в правiй частинi нерiвностi (21). Оскiльки ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 958 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК τ ′′1 (u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4u ( e−u 2 − 1 ) √δψ′(√δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 − 1 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (22) то, враховуючи нерiвностi e−u 2 + u2 − 1 ≤ u4 2 , 1− e−u 2 ≤ u2, 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ≤ 3u2, u ∈ R, (23) маємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| ≤ δ 2ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u5ψ′′( √ δu)du+ 4 √ δ ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u4|ψ′( √ δu)|du + + 6 ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du. Зiнтегрувавши перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi частинами та скориставшись теоремами 2′ та 3′, отримаємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| ≤ √ δ|ψ′( √ δ 2 )| 26ψ( √ δ) + |ψ′(1)| 2δ2ψ( √ δ) + 13 √ δ 2ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u4|ψ′( √ δu)|du + + 6 ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ ≤ K1 + K2 δ2ψ( √ δ) + K3 ψ( √ δ)  b√ δ∫ 1√ δ + 1 2∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du. (24) Тут i далi будемо вважати, що ψ′(1) = ψ′(1 + 0). Оскiльки функцiя g(u) = u2ψ(u) є обмеженою на [1; b] , то 1 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du = 1 δ2ψ( √ δ) b∫ 1 u3ψ(u) du ≤ ≤ K δ2ψ( √ δ) b∫ 1 u du = O ( 1 δ2ψ( √ δ) ) , δ →∞. (25) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 959 Враховуючи опуклiсть догори або донизу функцiї g(u) = u2ψ(u) при u ≥ b, знахо- димо 1 2∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ 1∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ b u2ψ(u)du = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (26) З огляду на (25) та (26) iз (24), маємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (27) Оцiнимо другий iнтеграл у правiй частинi нерiвностi (21). Враховуючи, що при u ≥ 1√ δ τ ′′2 (u) = 2 ψ( √ δu) ψ( √ δ) + 4u √ δψ′ (√ δu ) ψ( √ δ) + u2 δψ ′′( √ δu) ψ( √ δ) , при δ > 4b2 отримуємо b√ δ∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)| ≤ δ ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ′′( √ δu) du+ + 4 √ δ ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u2 ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du+ 2 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ uψ( √ δu) du. Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi двiчi, а другий — один раз i врахувавши, що функцiя ψ(u) є спадною на [1;∞) , одержимо b√ δ∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)| ≤ √ δ ψ( √ δ) u3ψ′ (√ δu ) ∣∣∣∣∣ b√ δ 1√ δ − − 7 ψ( √ δ) u2ψ( √ δu) ∣∣∣∣∣ b√ δ 1√ δ + 16 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ uψ( √ δu)du = = O ( 1 δψ( √ δ) ) . (28) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 960 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Оскiльки функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою на [b;∞) , то 1 2∫ b√ δ u|dτ ′2(u)| = ∣∣∣∣∣ 1 2∫ b√ δ udτ ′2(u) ∣∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∣(uτ ′2(u)− τ2(u)) ∣∣∣∣ 12 b√ δ ∣∣∣∣∣ = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (29) Таким чином, iз спiввiдношень (19), (21), (27) – (29) випливає, що 1 2∫ 0 u |dτ ′(u)| = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (30) Оцiнимо другий iнтеграл з (16). Оскiльки, згiдно з (6), при u ≥ 1√ δ τ ′′(u) = ( 1− e−u 2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4ue−u 2 √ δψ′( √ δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (31) а також |u− 1| ≤ u, u ∈ [ 1 2 ;∞ ) , та виконуються нерiвностi 1− e−u 2 ≤ 1, u2e−u 2 ≤ 1, ∣∣u− 2u3 ∣∣ e−u2 ≤ 2 u2 , u ∈ R, (32) отримуємо ∞∫ 1 2 |u− 1||dτ ′(u)| ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 2 uψ′′ (√ δu ) du + + 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 2 ∣∣ψ′(√δu)∣∣du+ 4 ψ (√ δ ) ∞∫ 1 2 ψ( √ δu) u2 du. (33) Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi нерiвностi (33), а також застосувавши теореми 2′ та 3′, одержимо ∞∫ 1 2 |u− 1| |dτ ′(u)| = O(1), δ →∞. (34) Для оцiнки першого iнтеграла з (17) розiб’ємо промiжок [0,∞) на три частини:[ 0, 1√ δ ] , [ 1√ δ , 1 ] , [1,∞). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 961 Нехай u ∈ [ 0, 1√ δ ] . Враховуючи (6) та друге спiввiдношення iз (23), маємо 1√ δ∫ 0 |τ(u)| u du = ψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 (1− e−u 2 ) du u ≤ ψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 udu ≤ K δψ( √ δ) . (35) Згiдно з (6), у випадку u ∈ [ 1√ δ , 1 ] ∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ uψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ |1− e−u 2 − u2| u ψ( √ δu)du. Оскiльки має мiсце перша нерiвнiсть з (23) та оцiнки (25), (26), то∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ uψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 2ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du = = 1 2ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du+ 1 2ψ( √ δ) 1∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . Iз останнiх спiввiдношень випливає, що 1∫ 1√ δ |τ(u)| u du = 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (36) Нехай, нарештi, u ∈ [1,∞). Оскiльки∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ( √ δu) u du ∣∣∣∣∣ ≤ 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 e−u 2 u ψ( √ δu)du ≤ K, то ∞∫ 1 |τ(u)| u du = 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O(1). (37) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 962 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Об’єднавши спiввiдношення (35) – (37), одержимо ∞∫ 0 |τ(u)| u du = 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+ 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (38) Оцiнимо другий iнтеграл iз (17). Для функцiї τ(u), заданої за допомогою спiввiдношення (6), згiдно з лемою 1 роботи [11], для всiх ψ ∈ M0 має мiсце рiвнiсть 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du = 1∫ 0 |λ(1− u)− λ(1 + u)| u du+O ( H(τ) ) , (39) де H(τ) означається за допомогою рiвностi (8), а λ(u) = e−u 2 . Використовуючи те, що 1∫ 0 |λ(1− u)− λ(1 + u)| u du = 1∫ 0 e−(1−u)2 − e−(1+u)2 u du = O(1), а також спiввiдношення (30) та (34), iз (39) отримуємо 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (40) Отже, враховуючи формули (30), (34), (38) i (40), згiдно з теоремою 1′, пере- конуємося в тому, що перетворення функцiї τ(u) вигляду (12) є сумовним на всiй числовiй осi. Тому, згiдно з лемою 1, виконується рiвнiсть (13). Iз нерiвностей (9) i (10) з урахуванням формул (30), (34), (38) i (40) отримуємо спiввiдношення (15). Оцiнимо залишковий член у правiй частинi рiвностi (13): τ̂β(t) = 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = 1 π  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du. (41) Зiнтегруємо двiчi частинами iнтеграли у правiй частинi рiвностi (41): 1√ δ∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = 1 t ( 1− e− 1 δ ) ψ(1) ψ( √ δ) sin ( 1√ δ t+ βπ 2 ) + + 1 t2 2e− 1 δψ(1)√ δψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − 1 t2 1√ δ∫ 0 τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du, (42) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 963 ∞∫ 1√ δ τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = −1 t ( 1− e− 1 δ ) ψ(1) ψ( √ δ) sin ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − − 1 t2 ( 2e− 1 δψ(1)√ δψ( √ δ) + ( 1− e− 1 δ ) √δψ′(1) ψ( √ δ) ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − − 1 t2 ∞∫ 1√ δ τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du. (43) Пiдставляючи (42), (43) в (41), отримуємо 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = − 1 πt2 1√ δ∫ 0 τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du− − 1 πt2 ∞∫ 1√ δ τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 πt2 ( 1− e− 1 δ ) √δψ′(1) ψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) , звiдки ∣∣∣∣∣ 1π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 πt2  1√ δ∫ 0 + 1∫ 1√ δ + ∞∫ 1  |τ ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) . (44) Враховуючи, що τ ′′(u) ≥ 0 на [ 0, 1√ δ ] , i нерiвнiсть (18), дiстаємо 1√ δ∫ 0 |τ ′′(u)|du = 1√ δ∫ 0 τ ′′(u)du = 2ψ(1)√ δψ( √ δ) e− 1 δ = O ( 1√ δψ( √ δ) ) , δ →∞. (45) Нехай u ∈ [ 1√ δ , 1 ] . Мiркуючи, як i при оцiнюваннi першого iнтеграла з (16) на промiжку [ 1√ δ , 1 2 ] (див. (20) – (29)), можна показати, що має мiсце оцiнка 1∫ 1√ δ |τ ′′(u)|du = O ( 1 + 1√ δψ( √ δ) ) , δ →∞. (46) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 964 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Нехай тепер u ∈ [1,∞). Використовуючи рiвнiсть (31), першу нерiвнiсть з (32), нерiвностi ue−u 2 ≤ 1, (2u2 − 1)e−u 2 ≤ 1 u2 , u ∈ R, а також теорему 3′, маємо ∞∫ 1 |τ ′′(u)|du ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ′′( √ δu)du+ 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du + + 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ( √ δu) u2 du = O(1). (47) Об’єднуючи формули (45) – (47) iз (44), отримуємо∣∣∣∣∣ 1π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣ = O ( 1 + 1√ δψ( √ δ) ) 1 t2 . Звiдси ∫ |t|≥ √ δπ 2 ∣∣∣τ̂β(t)∣∣∣dt = O ( 1 δψ( √ δ) + 1√ δ ) . (48) Iз спiввiдношень (48) та (13) видно, що має мiсце рiвнiсть (14). Теорему 1 доведено. Слiд вiдмiтити, що при ψ(u) = 1 ur , r < 2, теорему 1 отримано в роботi Л. I. Ба- усова [5, c. 31]. Наслiдок 1. Якщо виконуються умови теореми 1, sin βπ 2 6= 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, де величина α(t) означена рiвнiстю (11), то при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( ψ( √ δ) ) . (49) Доведення. Якщо ψ ∈ M′ 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, то для довiльного ε > 0 знайдеться таке u0 ≥ 1, що при u > u0 (uεψ(u))′ > 0, тобто функцiя uεψ(u) зростає, почи- наючи з деякого числа u0, i lim u→∞ uεψ(u) = ∞. Отже, при достатньо великих δ i 0 < ε < 2 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du ≤ ( √ δ)εψ( √ δ) δψ( √ δ) √ δ∫ 1 du uε−1 = O(1). (50) Використовуючи правило Лопiталя i те, що lim t→∞ α(t) = ∞, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 965 lim x→∞ ∞∫ x ψ(u) u du ψ(x) = lim x→∞ ψ(x) x|ψ′(x)| = ∞. (51) Враховуючи, що 1 δ + ψ( √ δ)√ δ = o ( ψ( √ δ) ) , (52) а також спiввiдношення (50) та (51), iз (14), (15) отримуємо (49). Прикладом функцiй, якi задовольняють умови наслiдку 1, є функцiї вигляду ψ(u) = 1 lnα(u+K) , де α > 1, K > 0. Наслiдок 2. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою догори або донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = ∞, (53) lim δ→∞ 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. (54) Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( ψ( √ δ) ) . (55) Доведення. Якщо функцiя ψ задовольняє умови (53) i (54), то, використовуючи правило Лопiталя, маємо lim x→∞ x∫ 1 uψ(u) x2ψ(x) = lim x→∞ xψ(x) 2xψ(x) + x2ψ′(x) = 1 2 + lim x→∞ xψ′(x) ψ(x) = ∞. Звiдси lim x→∞ xψ′(x) ψ(x) = −2. (56) Враховуючи (51) та (56), одержуємо ∞∫ √ δ ψ(u) u du = O ( ψ( √ δ) ) . Використовуючи останню оцiнку та спiввiдношення (14), (15), (52) – (54), одержу- ємо (55). Вiдмiтимо, що умови наслiдку 2 задовольняють, наприклад, функцiї вигляду ψ(u) = 1 u2 lnα(u+K), K > 0, α > 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 966 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Наслiдок 3. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = K <∞, (57) lim δ→∞ √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. (58) Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 δ ) . (59) Доведення. Оскiльки функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу на промiжку [b;∞) , b ≥ 1, та задовольняє умову (57), то робимо висновок, що вона монотонно спадає при u ≥ b. Отже, при δ > b2 маємо ∞∫ √ δ ψ(u) u du ≤ ∞∫ √ δ u2ψ(u) u3 du ≤ δψ( √ δ) ∞∫ √ δ 1 u3 du = O ( ψ( √ δ) ) , ψ( √ δ) = O ( 1 δ ) . Використовуючи останнi оцiнки та спiввiдношення (14), (15), (57), (58), отриму- ємо (59). Прикладом функцiй ψ, для яких має мiсце наслiдок 3, є функцiї вигляду ψ(u) = = 1 u2 (K + e−u), ψ(u) = 1 u2 lnα(u+K) , K > 0, 0 ≤ α ≤ 1. Зокрема, при ψ(u) = 1 u2 iз (59) одержуємо асимптотичну рiвнiсть E ( W 2 β ;Wδ ) C = 1 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ln δ δ +O ( 1 δ ) , яку було отримано в роботi Л. I. Баусова [5, c. 31]. Зауважимо, що при виконаннi умов наслiдкiв 1 – 3 рiвностi (49), (55) i (59) дають розв’язок задачi Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса Wδ на класах Cψβ,∞ у рiвномiрнiй метрицi. Нехай G — множина функцiй ψ ∈ M, що задовольняють наступну умову: для довiльної сталої K > 0 iснує така точка u0 = u0(K) ≥ 1, що при u > u0 для функцiї α(u) вигляду (11) виконується нерiвнiсть α(u) < 1 2 ( 1− K u2 ) . Теорема 2. Нехай ψ ∈ G, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою донизу на [b;∞) , b ≥ 1, i ∞∫ 1 uψ(u)du <∞. (60) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 967 Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = = 1 δ sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥f (2) 0 (x) ∥∥∥ C +O  1 δ √ δ √ δ∫ 1 t2ψ(t)dt+ 1 δ ∞∫ √ δ tψ(t)dt , (61) де f (2) 0 (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя при r = 2, β = 0. Доведення. Подамо функцiю τ(u), задану за допомогою спiввiдношення (6), у виглядi τ(u) = ϕ(u) + µ(u), де ϕ(u) =  u2 ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) , u ≥ 1√ δ , (62) µ(u) =  (1− e−u 2 − u2) ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , (1− e−u 2 − u2) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , u ≥ 1√ δ . (63) Переконаємося в сумовностi перетворень ϕ̂β(t) i µ̂β(t) функцiй ϕ(u) та µ(u) (див. (12)). Покажемо збiжнiсть iнтеграла A (ϕ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt. Виходячи з умови (60) та опуклостi донизу функцiї g(u), неважко переконатися, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0 та lim u→∞ u2ψ′(u) = 0. Застосовуючи двiчi iнтегрування частинами i враховуючи, що ϕ(0) = ϕ′(0) = 0, lim u→∞ ϕ(u) = lim u→∞ ϕ′(u) = 0, маємо ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du =  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = = − 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ ϕ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 t2 ψ′(1)√ δψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) , звiдки ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 968 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  |ϕ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) . Оскiльки функцiя ϕ(u) є опуклою донизу на промiжках [ 0; 1√ δ ] , [ b√ δ ;∞ ) i обме- женою на [ 1√ δ ; b√ δ ] , з останньої нерiвностi одержуємо ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ + ∞∫ b√ δ  |ϕ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) = = 1 t2   1√ δ∫ 0 + ∞∫ b√ δ ϕ′′(u) du+ b√ δ∫ 1√ δ |ϕ′′(u)| du + 1 t2 K√ δψ( √ δ) ≤ ≤ 1 t2 2ψ(1)− 2bψ(b)− b2ψ′(b)√ δψ( √ δ) + 1 t2 K√ δψ( √ δ) + + 1 t2 1 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ ( 2ψ( √ δu) + 4u √ δ|ψ′( √ δu)|+ u2δψ′′( √ δu) ) du ≤ ≤ 1 t2 K1√ δψ( √ δ) . Тодi ∫ |t|≥ √ δ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (64) Використовуючи (62), той факт, що функцiя u2ψ(u) спадає на [b,∞) i є обмеженою на [1, b] , а також нерiвнiсть (4.16) роботи [12, с. 59], отримуємо √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ + ∞∫ b√ δ ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣dt ≤ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 969 ≤ √ δ  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ ∣∣ϕ(u) ∣∣du+ √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) dudt ≤ ≤ √ δψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 u2du+ 1 δψ( √ δ) b∫ 1 u2ψ(u) du + + 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt ≤ ≤ K δψ( √ δ) + 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt. (65) Виконуючи замiну змiнних та iнтегруючи частинами в останньому iнтегралi з (65), дiстаємо 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt = 2π ψ( √ δ) ∞∫ 2π√ δ b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du dx x2 = = 2π ψ( √ δ) − 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣ ∞ 2π√ δ + + ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b√ δ + x )2 ψ ( b+ √ δx ) dx  = = 2π ψ( √ δ) − lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du+ √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du + + 1 δ ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b+ √ δx )2 ψ ( b+ √ δx ) dx . (66) У випадку, коли lim x→∞ ∫ b√ δ +x b√ δ u2ψ( √ δu)du = K > 0, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 970 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du = 0, (67) а у випадку, коли lim x→∞ ∫ b√ δ +x b√ δ u2ψ( √ δu)du = ∞, використовуючи правило Лопi- таля i те, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0, отримуємо lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du = lim x→∞ ( b√ δ + x )2 ψ ( b+ √ δx ) = 0. (68) Оскiльки при u ≥ 1 функцiя ψ(u) спадає, то √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du ≤ ψ(1) √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2du ≤ K δ . (69) Внаслiдок сумовностi функцiї uψ(u) на [1;∞) маємо 1 δ ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b+ √ δx )2 ψ ( b+ √ δx ) dx = 1 δ ∞∫ b+2π y2ψ(y) y − b dy = = 1 δ ∞∫ b+2π yψ(y) ( 1 + b y − b ) dy ≤ ( 1 + b 2π ) δ ∞∫ b+2π yψ(y) dy ≤ K1 δ . (70) Iз спiввiдношень (66) – (70) i (65) отримуємо √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (71) Аналогiчно можна показати, що 0∫ − √ δ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (72) Iз формул (64), (71) та (72) маємо A(ϕ) = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. Покажемо тепер збiжнiсть iнтеграла ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 971 A(µ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt. Застосувавши двiчi iнтегрування частинами i врахувавши, що µ(0) = µ′(0) = 0, lim u→∞ µ(u) = lim u→∞ µ′(u) = 0, матимемо ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du =  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = = − 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ µ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 t2 ( 1− e− 1 δ − 1 δ ) √ δψ′(1) ψ( √ δ) cos ( t√ δ + βπ 2 ) , звiдки∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  |µ′′(u)| du+ 1 t2 K δ √ δψ( √ δ) . (73) При u ∈ [ 0, 1√ δ ] функцiя µ′′(u) < 0, тому 1√ δ∫ 0 |µ′′(u)| du = − 1√ δ∫ 0 µ′′(u)du = −µ′ ( 1√ δ ) + µ′(0) ≤ K δ √ δψ( √ δ) . (74) При u ≥ 1√ δ µ′′(u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4u ( e−u 2 − 1 ) √δψ′(√δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 − 1 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (75) i, отже, ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( e−u 2 + u2 − 1 ) ψ′′( √ δu)du+ + 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ u ( 1− e−u 2 ) ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du + ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 972 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК + 2 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du. Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi двiчi, а другий — один раз, будемо мати ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ − √ δψ′(1) ψ( √ δ) ( e− 1 δ + 1 δ − 1 ) + + 6ψ(1)√ δψ( √ δ) ( 1− e− 1 δ ) + 8 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ (√ δu ) du. Скориставшись першою та другою нерiвностями з (23), отримаємо ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ ≤ K1 δ √ δψ( √ δ) + K2 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du. (76) Оцiнимо останнiй iнтеграл у нерiвностi (76). Для цього розiб’ємо промiжок iнтегрування [ 1√ δ ;∞ ) на двi частини: [ 1√ δ ; 1 ] та [1;∞). Застосовуючи третю нерiвнiсть з (23), одержуємо 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du ≤ ≤ 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u2ψ( √ δu)du = 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (77) Враховуючи нерiвнiсть 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ≤ 2, u ∈ R, отримуємо 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du ≤ 2 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ (√ δu ) du ≤ K. (78) Iз спiввiдношень (76) – (78) маємо ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ K + K1 δ √ δψ( √ δ) + K2 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (79) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 973 Об’єднуючи формули (73), (74) i (79) i враховуючи те, що lim δ→∞ 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du ≥ lim δ→∞ 1 δ √ δψ( √ δ) δψ( √ δ) √ δ∫ 1 du = 1, (80) дiстаємо ∫ |t|≥π ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du . (81) Розглянемо тепер π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣∣  1√ δ∫ 0 + 1∫ 1√ δ + ∞∫ 1 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣∣ dt. (82) Використавши нерiвнiсть e−u 2 + u2 − 1 ≤ u2, u ∈ R, (83) одержимо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣ 1√ δ∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣ dt ≤ π∫ 0 1√ δ∫ 0 |µ(u)| dudt = = πψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 ( e−u 2 + u2 − 1 ) du ≤ πψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 u2du ≤ K δ √ δψ( √ δ) , (84) π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣∣ dt ≤ π∫ 0 1∫ 1√ δ |µ(u)|dudt ≤ ≤ π ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u2ψ( √ δu)du = π δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (85) Оскiльки ψ ∈ G, то, як неважко переконатися, функцiя −µ(u) = (e−u 2 + u2 − − 1)ψ( √ δu) буде монотонно спадною починаючи з деякого значення u1 ≥ 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 974 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Враховуючи те, що функцiя −µ(u) є монотонно спадною на [u1;∞) , u1 ≥ 1, невiд’ємною i прямує до нуля при u→∞, можемо скористатись нерiвнiстю (4.16) з роботи [12, с. 59]. Отримаємо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ u1∫ 1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt + + π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ u1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 u1∫ 1 (−µ(u)) du dt+ π∫ 0 u1+ 2π t∫ u1 (−µ(u)) du dt = = π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 (−µ(u)) du dt. (86) Використовуючи нерiвнiсть (83), маємо π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 (−µ(u)) dudt ≤ 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt. (87) Виконуючи замiну змiнних та iнтегруючи частинами, одержуємо 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt = 2π ψ( √ δ) ∞∫ 2 u1+x∫ 1 u2ψ (√ δu ) du dx x2 = = 2π ψ( √ δ) − lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du+ 1 2 2+u1∫ 1 u2ψ( √ δu)du + + ∞∫ 2 1 x (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) dx . (88) У випадку, коли limx→∞ u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu) du = K > 0, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 975 lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du = 0, (89) а у випадку lim x→∞ ∫ u1+x 1 u2ψ( √ δu) du = ∞, використовуючи правило Лопiталя i те, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0, отримуємо lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du = lim x→∞ (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) = 0. (90) Оскiльки при u ≥ 1 функцiя ψ(u) спадає, то 1 2 2+u1∫ 1 u2ψ( √ δu)du ≤ ψ( √ δ) 2 2+u1∫ 1 u2du ≤ Kψ( √ δ). (91) Внаслiдок сумовностi функцiї uψ(u) на [1;∞) маємо ∞∫ 2 1 x (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) dx = 1 δ ∞∫ √ δ(2+u1) y2ψ(y) y − √ δu1 dy = = 1 δ ∞∫ √ δ(2+u1) yψ(y) ( 1 + √ δu1 y − √ δu1 ) dy ≤ ( 1 + u1 2 ) δ ∞∫ √ δ(2+u1) yψ(y)dy ≤ ≤ K1 δ ∞∫ √ δ yψ(y)dy. (92) Враховуючи спiввiдношення (89) – (92), iз (88) одержуємо 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt ≤ K1 + K2 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du. (93) Iз (82), враховуючи (84), (85), (93), а також (80), маємо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du  . (94) Подiбними мiркуваннями встановлюється i рiвнiсть ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 976 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК 0∫ −π ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du . (95) Об’єднуючи формули (81), (94) та (95), отримуємо A (µ) = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du . (96) Аналогiчно до [1, c. 183] можна показати, що має мiсце рiвнiсть f(x)−Wδ(f, x) = ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) τ̂β(t)dt. Звiдси E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) τ̂β(t)dt ∥∥∥∥∥∥ C = = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) (ϕ̂β(t) + µ̂β(t)) dt ∥∥∥∥∥∥ C = = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt ∥∥∥∥∥∥ C +O ( ψ( √ δ)A(µ) ) . (97) Аналогiчно до спiввiдношення (1.1) роботи [10] можна показати, що ряд Фур’є функцiї fϕ(x) = ∫ ∞ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt має вигляд S [fϕ] = ∞∑ k=1 k2 δ 1 ψ( √ δ) (ak cos kx+ bk sin kx) , де ak, bk — коефiцiєнти Фур’є функцiї f . Тому ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt = 1 δψ( √ δ) f (2) 0 (x), (98) де f (2) 0 (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя при r = 2, β = 0. Пiдставляючи (98) в (97), маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 977 E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 1 δ sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥f (2) 0 (x) ∥∥∥ C +O ( ψ( √ δ)A(µ) ) , δ →∞, (99) а пiдставляючи (96) в (99), отримуємо рiвнiсть (61). Теорему 2 доведено. Прикладом функцiй, для яких має мiсце теорема 2, є функцiї вигляду ψ(u) = = 1 u2 lnα(u+K) , K > 0, α > 1; ψ(u) = 1 ur lnα(u + K), ψ(u) = 1 ur arctg u, ψ(u) = 1 ur (K + e−u) K > 0, r > 2, α ∈ R. 3. Оцiнка верхнiх меж наближень функцiй на класах Lψβ,1 iнтегралами Вейєрштрасса в iнтегральнiй метрицi. Оскiльки функцiя τ(u), що задана за допомогою спiввiдношення (6), є неперервною, а її перетворення τ̂β(t) вигляду (12), як ми показали при доведеннi теореми 1, — сумовним, то аналогiчно до леми 2 роботи [10] можна довести, що при δ →∞ матиме мiсце рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = ψ( √ δ)A(τ) +O ψ( √ δ) ∫ |t|≥ √ δπ 2 |τ̂β(t)| dt . Порiвнюючи це спiввiдношення з рiвнiстю (13), приходимо до висновку, що має мiсце така теорема. Теорема 3. Нехай ψ ∈ M ′ 0 = M0 ∩ M′, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою догори або донизу на [b;∞) , b ≥ 1. Тодi при δ →∞ має мiсце рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = ψ( √ δ)A(τ) +O ( 1 δ + ψ( √ δ)√ δ ) , де величина A(τ) означається за допомогою рiвностi (7) i для неї справедлива оцiнка (15). Iз теореми 3 на пiдставi мiркувань, наведених при доведеннi наслiдкiв 1 – 3, випливають наступнi твердження. Наслiдок 4. Якщо виконуються умови теореми 1, sin βπ 2 6= 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, де величина α(t) означена рiвнiстю (11), то при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( ψ( √ δ) ) . (100) Наслiдок 5. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою догори або донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = ∞, lim δ→∞ 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 978 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( ψ( √ δ) ) . (101) Наслiдок 6. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу на [b;∞), b ≥ 1, i lim u→∞ u2ψ(u) = K < ∞, lim δ→∞ ∫ √ δ 1 uψ(u)du = ∞. Тодi при δ → ∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 δ ) . (102) Зауважимо, що при виконаннi умов наслiдкiв 4 – 6 рiвностi (100) – (102) дають розв’язок задачi Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса Wδ на класах Lψβ,1 в iнтегральнiй метрицi. 1. Степанец А. И. Методы теории приближения. – Киев: Ин-т математики НАН Украины, 2002. – Ч. I. – 427 с. 2. Nagy B. Über gewise Extremalfragen bei transformierten trigonometrischen Entwicklungen, I // Period. Fall: Berichte Math. Phys. – 1938. – 90. – S. 103 – 134. 3. Ахиезер Н. И. Лекции по теории аппроксимации. – М.: Наука, 1965. – 407 с. 4. Баусов Л. И. О приближении функций класса Zα положительными методами суммирования рядов Фурье // Успехи мат. наук. – 1961. – 16, № 3. – С. 143 – 149. 5. Баусов Л. И. Линейные методы суммирования рядов Фурье с заданными прямоугольными матрицами. I // Изв. вузов. – 1965. – 46, № 3. – С. 15 – 31. 6. Бугров Я. С. Неравенства типа неравенств Бернштейна и их применение к исследованию дифференциальных свойств решений дифференциальных уравнений высшего порядка // Math. Cluj. – 1963. – 5, № 1. – P. 5 – 25. 7. Баскаков В. А. О некоторых свойствах операторов типа операторов Абеля – Пуассона // Мат. заметки. – 1975. – 17, № 2. – С. 169 – 180. 8. Фалалеев Л. П. О приближении функций обобщенными операторами Абеля – Пуассона // Сиб. мат. журн. – 2001. – 1, № 4. – С. 926 – 936. 9. Теляковский С. А. О нормах тригонометрических полиномов и приближении дифференциру- емых функций линейными средними их рядов Фурье. II // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1963. – 27, № 2. – С. 253 – 272. 10. Новикова А. К. О приближении функций в пространствах C и L // Вопросы суммирования рядов Фурье. – Киев, 1985. – С. 14 – 51. – (Препринт / АН УССР. Ин-т математики; 85.61). 11. Жигалло К. М., Харкевич Ю. I. Наближення бiгармонiйними iнтегралами Пуассона класiв (ψ, β)-диференцiйовних функцiй в iнтегральнiй метрицi // Проблеми теорiї наближення функ- цiй та сумiжнi питання: Зб. праць Iн-ту математики НАН України. – 2004. – 1, № 1. – С. 144 – 170. 12. Степанец А. И. Классификация и приближение периодических функций. – Киев: Наук. думка, 1987. – 268 с. Одержано 20.02.2006, пiсля доопрацювання – 14.08.2006 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7